문제 은행 · 미적분 · 미적분Ⅰ · 함수의 극한과 연속

함수의 연속

한 점에서 연속인 조건(함숫값=극한값)을 확인하고 불연속인 곳을 찾는다

유형·난이도는 우리말 풀이가 붙은 문제는 선생님이 정했고, 나머지는 자동 분류라 다를 수 있어요. 난이도가 정해지지 않은 문제는 난이도로 거를 때 빠집니다.

8문제 · 1 / 1쪽

1.CLP-1 · 1.6절 · 21번우리말 번역

sin⁡x=x−1\sin x = x-1 을 만족하는 실수 xx 가 적어도 하나 존재함을 보이세요.

영어 원문 보기

Show that there exists at least one real number xx satisfying sin⁡x=x−1\sin x = x-1

정답·풀이 보기

이 등식은 그냥 풀 수 있는 종류가 아니므로 요령이 필요하며, 그 요령이 바로 사잇값 정리이다. 기본 아이디어는 sin⁡x\sin x 가 어떤 곳에서는 x−1x-1 보다 크고, 또 어떤 곳에서는 작음을 보이는 것이다. 그런데 사잇값 정리는 함수가 어떤 상수와 같아짐을 보여 줄 수 있을 뿐이므로, 표현을 약간 바꿔야 한다. sin⁡x=x−1\sin x = x-1 임을 보이는 것은 sin⁡x−x+1=0\sin x - x + 1 = 0 임을 보이는 것과 같으므로, f(x)=sin⁡x−x+1f(x)=\sin x - x +1 이라 하고 이 함수가 실근을 가짐을 보이자.

먼저 f(x)f(x) 가 연속임에 주목해야 한다(그렇지 않으면 사잇값 정리를 쓸 수 없다). 이제 ff 의 값이 양수가 되는 xx 와 음수가 되는 xx 를 찾아야 한다. 몇 개의 값을 확인해 보면 f(0)f(0) 은 양수이고 f(100)f(100) 은 음수임을 알 수 있다. 따라서 사잇값 정리에 의해 f(x)=0f(x)=0 이 되는 xx 의 값이 (00 과 100100 사이에) 존재한다. 그러므로 sin⁡x=x−1\sin x = x-1 을 만족하는 xx 의 값이 존재한다.

원본 교재 풀이(영어)

This isn't the kind of equality that we can just solve; we'll need a trick, and that trick is the IVT. The general idea is to show that sin⁡x\sin x is somewhere bigger, and somewhere smaller, than x−1x-1. However, since the IVT can only show us that a function is equal to a constant, we need to slightly adjust our language. Showing sin⁡x=x−1\sin x = x-1 is equivalent to showing sin⁡x−x+1=0\sin x - x + 1 = 0, so let f(x)=sin⁡x−x+1f(x)=\sin x - x +1, and let's show that it has a real root.

First, we need to note that f(x)f(x) is continuous (otherwise we can't use the IVT). Now, we need to find a value of xx for which it is positive, and for which it's negative. By checking a few values, we find f(0)f(0) is positive, and f(100)f(100) is negative. So, by the IVT, there exists a value of xx (between 00 and 100100) for which f(x)=0f(x)=0. Therefore, there exists a value of xx for which sin⁡x=x−1\sin x = x-1.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.6절 · 20번
# 함수의 연속증명·논술도전자동 분류
2.CLP-1 · 1.6절 · 22번우리말 번역

3c=c23^c=c^2 을 만족하는 실수 cc 가 적어도 하나 존재함을 보이세요.

영어 원문 보기

Show that there exists at least one real number cc such that 3c=c23^c=c^2.

정답·풀이 보기

f(x)=3x−x2f(x)=3^x-x^2 이라 하자. 3x3^x 과 x2x^2 은 모든 실수에서 연속이므로 f(x)f(x) 는 연속함수이다.

f(a)>0f(a)>0 인 값 aa 를 찾는다. 바로 a=0a=0 이 조건을 만족함을 알 수 있다. 왜냐하면 f(0)=30−0=1>0f(0)=3^0-0=1>0 이기 때문이다.

f(b)<0f(b)<0 인 값 bb 를 찾는다. b=−1b=-1 이 조건을 만족한다. 왜냐하면 f(−1)=13−1<0f(-1)=\frac{1}{3}-1<0 이기 때문이다.

따라서 f(x)f(x) 는 (−∞,∞)(-\infty, \infty) 에서 연속이고 f(0)>0f(0)>0 이면서 f(−1)<0f(-1)<0 이므로, 사잇값 정리에 의해 f(c)=0f(c)=0 인 실수 cc 가 구간 (−1,0)(-1,0) 에 존재한다.

원본 교재 풀이(영어)

We let f(x)=3x−x2f(x)=3^x-x^2. Then f(x)f(x) is a continuous function, since both 3x3^x and x2x^2 are continuous for all real numbers.

We find a value aa such that f(a)>0f(a)>0. We observe immediately that a=0a=0 works since f(0)=30−0=1>0.f(0)=3^0-0=1>0.

We find a value bb such that f(b)<0f(b)<0. We see that b=−1b=-1 works since f(−1)=13−1<0.f(-1)=\frac{1}{3}-1<0.

So, because f(x)f(x) is continuous on (−∞,∞)(-\infty, \infty) and f(0)>0f(0)>0 while f(−1)<0f(-1)<0, then the Intermediate Value Theorem guarantees the existence of a real number cc in the interval (−1,0)(-1,0) such that f(c)=0f(c)=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.6절 · 25번
# 함수의 연속증명·논술도전자동 분류
3.CLP-1 · 1.6절 · 23번우리말 번역

2tan⁡(c)=c+12\tan(c)=c+1 을 만족하는 실수 cc 가 적어도 하나 존재함을 보이세요.

영어 원문 보기

Show that there exists at least one real number cc such that 2tan⁡(c)=c+12\tan(c)=c+1.

정답·풀이 보기

f(x)=2tan⁡(x)−x−1f(x)=2\tan(x)-x-1 이라 하자. tan⁡(x)=sin⁡(x)/cos⁡(x)\tan(x)=\sin(x)/\cos(x) 는 구간 (−π/2,π/2)(-\pi/2, \pi/2) 에서 연속이고, x+1x+1 은 다항식이므로 모든 실수에서 연속이다. 따라서 f(x)f(x) 는 이 구간에서 연속함수이다.

f(a)<0f(a)<0 인 값 a∈(−π/2,π/2)a\in (-\pi/2,\pi/2) 를 찾는다. 바로 a=0a=0 이 조건을 만족함을 알 수 있다. 왜냐하면 f(0)=2tan⁡(0)−0−1=0−1=−1<0f(0)=2\tan(0)-0-1=0-1=-1<0 이기 때문이다.

f(b)>0f(b)>0 인 값 b∈(−π/2,π/2)b\in (-\pi/2, \pi/2) 를 찾는다. b=π/4b=\pi/4 가 조건을 만족한다. 왜냐하면 f(π/4)=2tan⁡(π/4)−π/4−1=2−π/4−1=1−π/4=(4−π)/4>0f(\pi/4)=2\tan(\pi/4) -\pi/4 - 1=2-\pi/4 - 1=1-\pi/4=(4-\pi)/4>0 이기 때문이다. 이는 3<π<43<\pi<4 이므로 성립한다.

따라서 f(x)f(x) 는 [0,π/4][0,\pi/4] 에서 연속이고 f(0)<0f(0)<0 이면서 f(π/4)>0f(\pi/4)>0 이므로, 사잇값 정리에 의해 f(c)=0f(c)=0 인 실수 c∈(0,π/4)c\in (0,\pi/4) 가 존재한다.

원본 교재 풀이(영어)

We let f(x)=2tan⁡(x)−x−1f(x)=2\tan(x)-x-1. Then f(x)f(x) is a continuous function on the interval (−π/2,π/2)(-\pi/2, \pi/2) since tan⁡(x)=sin⁡(x)/cos⁡(x)\tan(x)=\sin(x)/\cos(x) is continuous on this interval, while x+1x+1 is a polynomial and therefore continuous for all real numbers.

We find a value a∈(−π/2,π/2)a\in (-\pi/2,\pi/2) such that f(a)<0f(a)<0. We observe immediately that a=0a=0 works since f(0)=2tan⁡(0)−0−1=0−1=−1<0.f(0)=2\tan(0)-0-1=0-1=-1<0.

We find a value b∈(−π/2,π/2)b\in (-\pi/2, \pi/2) such that f(b)>0f(b)>0. We see that b=π/4b=\pi/4 works since f(π/4)=2tan⁡(π/4)−π/4−1=2−π/4−1=1−π/4=(4−π)/4>0,f(\pi/4)=2\tan(\pi/4) -\pi/4 - 1=2-\pi/4 - 1=1-\pi/4=(4-\pi)/4>0, because 3<π<43<\pi<4.

So, because f(x)f(x) is continuous on [0,π/4][0,\pi/4] and f(0)<0f(0)<0 while f(π/4)>0f(\pi/4)>0, then the Intermediate Value Theorem guarantees the existence of a real number c∈(0,π/4)c\in (0,\pi/4) such that f(c)=0f(c)=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.6절 · 22번
# 함수의 연속증명·논술도전자동 분류
4.CLP-1 · 1.6절 · 24번우리말 번역

다음을 만족하는 실수 c 가 적어도 하나 존재함을 보이세요. cos⁡(πc)=sin⁡(2πc)+12\sqrt{\cos(\pi c)} = \sin(2 \pi c) + \frac{1}{2}.

영어 원문 보기

Show that there exists at least one real number c such that cos⁡(πc)=sin⁡(2πc)+12\sqrt{\cos(\pi c)} = \sin(2 \pi c) + \frac{1}{2}.

정답·풀이 보기

f(x)=cos⁡(πx)−sin⁡(2πx)−1/2f(x) = \sqrt{\cos(\pi x)} - \sin(2\pi x) -1/2 라 하자. 이 함수는 cos⁡(πx)≥0\cos(\pi x)\geq 0 인 범위에서 연속이다. 이는 0≤x≤120 \leq x \leq \frac{1}{2} 에서 성립한다.

이제 ff 는 [0,1/2][0,1/2] 에서 양수 값을 갖는다:

f(0)=cos⁡(0)−sin⁡(0)−1/2=1−1/2=1/2.\begin{aligned} f(0) &= \sqrt{\cos(0)} - \sin(0) -1/2 = \sqrt{1} -1/2 = 1/2. \end{aligned}

또한 ff 는 [0,1/2][0,1/2] 에서 음수 값도 갖는다:

f(1/2)=cos⁡(π/2)−sin⁡(π)−1/2=0−0−1/2=−1/2\begin{aligned} f(1/2) &= \sqrt{\cos(\pi/2)}-\sin(\pi)-1/2 = 0-0-1/2 = -1/2 \end{aligned}

(f(1/3)=(2−3)/2−1/2f(1/3)=(\sqrt{2}-\sqrt{3})/2-1/2 도 마찬가지로 성립함에 주목하자.)

따라서 f(x)f(x) 가 [0,1/2)[0,1/2) 에서 연속이고 f(0)>0f(0)>0 이면서 f(1/2)<0f(1/2)<0 이므로, 사잇값 정리에 의해 f(c)=0f(c)=0 인 실수 c∈(0,1/2)c\in (0,1/2) 가 존재한다.

원본 교재 풀이(영어)

Let f(x)=cos⁡(πx)−sin⁡(2πx)−1/2f(x) = \sqrt{\cos(\pi x)} - \sin(2\pi x) -1/2. This function is continuous provided cos⁡(πx)≥0\cos(\pi x)\geq 0. This is true for 0≤x≤120 \leq x \leq \frac{1}{2}.

Now ff takes positive values on [0,1/2][0,1/2]:

f(0)=cos⁡(0)−sin⁡(0)−1/2=1−1/2=1/2.\begin{aligned} f(0) &= \sqrt{\cos(0)} - \sin(0) -1/2 = \sqrt{1} -1/2 = 1/2. \end{aligned}

And ff takes negative values on [0,1/2][0,1/2]:

f(1/2)=cos⁡(π/2)−sin⁡(π)−1/2=0−0−1/2=−1/2\begin{aligned} f(1/2) &= \sqrt{\cos(\pi/2)}-\sin(\pi)-1/2 = 0-0-1/2 = -1/2 \end{aligned}

(Notice that f(1/3)=(2−3)/2−1/2f(1/3)=(\sqrt{2}-\sqrt{3})/2-1/2 also works)

So, because f(x)f(x) is continuous on [0,1/2)[0,1/2) and f(0)>0f(0)>0 while f(1/2)<0f(1/2)<0, then the Intermediate Value Theorem guarantees the existence of a real number c∈(0,1/2)c\in (0,1/2) such that f(c)=0f(c)=0.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.6절 · 27번
# 함수의 연속증명·논술도전자동 분류
5.CLP-1 · 1.6절 · 25번우리말 번역

다음을 만족하는 실수 cc 가 적어도 하나 존재함을 보이세요. 1(cos⁡πc)2=c+32\dfrac{1}{(\cos\pi c)^2} = c+\dfrac{3}{2}.

영어 원문 보기

Show that there exists at least one real number cc such that 1(cos⁡πc)2=c+32\dfrac{1}{(\cos\pi c)^2} = c+\dfrac{3}{2}.

정답·풀이 보기

f(x)=1cos⁡2(πx)−x−32f(x)=\dfrac{1}{\cos^2(\pi x)}-x-\dfrac{3}{2} 라 하자. 그러면 cos⁡x\cos x 는 모든 곳에서 연속이고 구간 (−1/2,1/2)(-1/2, 1/2) 에서 0이 아니므로, f(x)f(x) 는 그 구간에서 연속인 함수이다.

함수 ff 는 음수 값을 갖는다. 예를 들어 x=0x=0 일 때:

f(0)=1cos⁡2(0)−0−32=1−32=−12<0.\begin{aligned} f(0) &= \frac{1}{\cos^2(0)} - 0 - \frac{3}{2} = 1-\frac{3}{2} = -\frac{1}{2} <0. \end{aligned}

또한 양수 값도 갖는다. 예를 들어 x=1/4x=1/4 일 때:

f(1/4)=1(cos⁡π/4)2−14−32=11/2−1+64=2−7/4=1/4>0.\begin{aligned} f(1/4) &= \frac{1}{(\cos \pi/4)^2} - \frac{1}{4} - \frac{3}{2} \\ &= \frac{1}{1/2} - \frac{1+6}{4} \\ &= 2 - 7/4 = 1/4 >0. \end{aligned}

사잇값 정리에 의해 0<c<1/40<c<1/4 이고 f(c)=0f(c)=0 인 cc 가 존재하며, 이때

1(cos⁡πc)2=c+32.\begin{aligned} \dfrac{1}{(\cos\pi c)^2} = c+\dfrac{3}{2}. \end{aligned}

원본 교재 풀이(영어)

We let f(x)=1cos⁡2(πx)−x−32f(x)=\dfrac{1}{\cos^2(\pi x)}-x-\dfrac{3}{2}. Then f(x)f(x) is a continuous function on the interval (−1/2,1/2)(-1/2, 1/2) since cos⁡x\cos x is continuous everywhere and non-zero on that interval.

The function ff takes negative values. For example, when x=0x=0:

f(0)=1cos⁡2(0)−0−32=1−32=−12<0.\begin{aligned} f(0) &= \frac{1}{\cos^2(0)} - 0 - \frac{3}{2} = 1-\frac{3}{2} = -\frac{1}{2} <0. \end{aligned}

It also takes positive values, for instance when x=1/4x=1/4:

f(1/4)=1(cos⁡π/4)2−14−32=11/2−1+64=2−7/4=1/4>0.\begin{aligned} f(1/4) &= \frac{1}{(\cos \pi/4)^2} - \frac{1}{4} - \frac{3}{2} \\ &= \frac{1}{1/2} - \frac{1+6}{4} \\ &= 2 - 7/4 = 1/4 >0. \end{aligned}

By the IVT there is cc, 0<c<1/40<c<1/4 such that f(c)=0f(c)=0, in which case

1(cos⁡πc)2=c+32.\begin{aligned} \dfrac{1}{(\cos\pi c)^2} = c+\dfrac{3}{2}. \end{aligned}

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.6절 · 24번
# 함수의 연속증명·논술도전자동 분류
6.CLP-1 · 1.6절 · 26번우리말 번역

사잇값 정리를 이용하여 f(x)=x7−15x6+9x2−18x+15f(x)=x^7-15x^6+9x^2-18x+15 의 근을 포함하는, 길이가 1인 구간을 구하세요.

영어 원문 보기

Use the intermediate value theorem to find an interval of length one containing a root of f(x)=x7−15x6+9x2−18x+15f(x)=x^7-15x^6+9x^2-18x+15.

정답·풀이 보기

f(x)f(x) 는 다항식이므로 모든 점에서 연속이다. f(a)>0f(a)>0 이고 f(b)<0f(b)<0 인 값 aa, bb 를 찾을 수 있다면, 사잇값 정리에 의해 (a,b)(a,b) 에 f(c)=0f(c)=0 인 cc 가 존재한다. 즉, 구간 [a,b][a,b] 에 근이 있다. 계산하기 쉬운 xx 값부터 대입해 보자.

f(0)=15f(0)=15 이고, f(1)=1−15+9−18+15=−8f(1)=1-15+9-18+15=-8 이다. 0 은 f(0)f(0) 과 f(1)f(1) 사이에 있고 ff 는 연속이므로, 사잇값 정리에 의해 f(x)=0f(x)=0 인 xx 가 [0,1][0,1] 에 반드시 존재한다. 즉, [0,1][0,1] 에 근이 있다.

이 구간이 가장 찾기 쉬운 구간이었다. 계속 대입해 보면 두 구간을 더 찾을 수 있다. f(−1)=26f(-1)=26 (양수)이고 f(−2)=−1001f(-2)=-1001 (음수)이므로 [−2,−1][-2,-1] 에 근이 있다.

계산이 까다롭지만 [14,15][14,15] 에도 근이 있다.

이것은 중요한 요령이다. 차수가 높은 다항식은 근의 정확한 값을 구하는 것이 불가능한 경우가 많다. 사잇값 정리를 이용하면 적어도 근이 반드시 있는 범위를 제시할 수 있다.

원본 교재 풀이(영어)

f(x)f(x) is a polynomial, so it's continuous everywhere. If we can find values aa and bb so that f(a)>0f(a)>0 and f(b)<0f(b)<0, then by the IVT, there will exist some cc in (a,b)(a,b) where f(c)=0f(c)=0; that is, there is a root in the interval [a,b][a,b]. Let's start plugging in easy values of xx.

f(0)=15f(0)=15, and f(1)=1−15+9−18+15=−8f(1)=1-15+9-18+15=-8. Since 0 is between f(0)f(0) and f(1)f(1), and since ff is continuous, by IVT there must be some xx in [0,1][0,1] for which f(x)=0f(x)=0: that is, there is some root in [0,1][0,1].

That was the easiest interval to find. If you keep playing around, you find two more. f(−1)=26f(-1)=26 (positive) and f(−2)=−1001f(-2)=-1001 (negative), so there is a root in [−2,−1][-2,-1].

The arithmetic is nasty, but there is also a root in [14,15][14,15].

This is an important trick. For high-degree polynomials, it is often impossible to get the exact values of the roots. Using the IVT, we can at least give a range where a root must be.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기OpenStax 1권 · 2.4절 · 23번
# 함수의 연속계산도전자동 분류
7.CLP-1 · 1.6절 · 27번우리말 번역

사잇값 정리를 이용하여 73\sqrt[3]{7} 의 소수 근삿값을 적어도 소수 둘째 자리까지 정확하게 구하세요. 계산기를 사용해도 되지만 덧셈, 뺄셈, 곱셈, 나눗셈에만 사용할 수 있습니다.

영어 원문 보기

Use the intermediate value theorem to give a decimal approximation of 73\sqrt[3]{7} that is correct to at least two decimal places. You may use a calculator, but only to add, subtract, multiply, and divide.

답 쓰고 채점
정답·풀이 보기

f(x)=x3f(x)=x^3 이라 하자. ff 는 다항식이므로 모든 곳에서 연속이다. f(a)<7<f(b)f(a)<7<f(b) 이면 73\sqrt[3]{7} 은 aa 와 bb 사이에 있다. 이 부등식을 만족시키면서 서로 매우 가까운 aa 와 bb 를 찾을 수 있다면, 73\sqrt[3]{7} 의 좋은 근삿값을 얻을 수 있다.

  • 정수부터 시작해 보자. 13<7<231^3<7<2^3 이므로 73\sqrt[3]{7} 은 구간 (1,2)(1,2) 에 있다.
  • 범위를 좁혀 보자. 예를 들어 f(1.5)f(1.5) 를 살펴보자. (1.5)3=3.375<7(1.5)^3 = 3.375<7 이므로 73\sqrt[3]{7} 은 구간 (1.5,2)(1.5,2) 에 있다.
  • 더 좁혀 보자. 예를 들어 f(1.75)f(1.75) 를 살펴보자. (1.75)3≈5.34<7(1.75)^3\approx 5.34<7 이므로 73\sqrt[3]{7} 은 구간 (1.75,2)(1.75,2) 에 있다.
  • 여러 값을 시험해 보면 f(1.9)<7<f(2)f(1.9)<7<f(2) 임을 알 수 있으므로 73\sqrt[3]{7} 은 1.91.9 와 22 사이에 있다.
  • 더 시험해 보면 f(1.91)<7<f(1.92)f(1.91)<7<f(1.92) 이므로 73\sqrt[3]{7} 은 (1.91,1.92)(1.91,1.92) 에 있다.
  • 73\sqrt[3]{7} 을 소수 둘째 자리까지 반올림한 근삿값을 얻으려면 73\sqrt[3]{7} 이 1.9151.915 보다 큰지 작은지를 알아야 한다. 실제로 f(1.915)≈7.02>7f(1.915) \approx 7.02>7 이므로 73<1.915\sqrt[3]{7}<1.915 이고, 따라서 소수 둘째 자리까지 반올림하면 73≈1.91\sqrt[3]{7}\approx 1.91 이다.

이것이 73\sqrt[3]{7} 을 어림하는 당연한 방법으로 느껴진다면 잘 이해한 것이다. 사잇값 정리는 매우 직관적인 원리를 정식으로 나타낸 것이다.

원본 교재 풀이(영어)

Let f(x)=x3f(x)=x^3. Since ff is a polynomial, it is continuous everywhere. If f(a)<7<f(b)f(a)<7<f(b), then 73\sqrt[3]{7} is somewhere between aa and bb. If we can find aa and bb that satisfy these inequalities, and are very close together, that will give us a good approximation for 73\sqrt[3]{7}.

  • Let's start with integers. 13<7<231^3<7<2^3, so 73\sqrt[3]{7} is in the interval (1,2)(1,2).
  • Let's narrow this down, say by testing f(1.5)f(1.5). (1.5)3=3.375<7(1.5)^3 = 3.375<7, so 73\sqrt[3]{7} is in the interval (1.5,2)(1.5,2).
  • Let's narrow further, say by testing f(1.75)f(1.75). (1.75)3≈5.34<7(1.75)^3\approx 5.34<7, so 73\sqrt[3]{7} is in the interval (1.75,2)(1.75,2).
  • Testing various points, we find f(1.9)<7<f(2)f(1.9)<7<f(2), so 73\sqrt[3]{7} is between 1.91.9 and 22.
  • By testing more, we find f(1.91)<7<f(1.92)f(1.91)<7<f(1.92), so 73\sqrt[3]{7} is in (1.91,1.92)(1.91,1.92).
  • In order to get an approximation for 73\sqrt[3]{7} that is rounded to two decimal places, we have to know whether 73\sqrt[3]{7} is greater or less than 1.9151.915; indeed f(1.915)≈7.02>7f(1.915) \approx 7.02>7, so 73<1.915\sqrt[3]{7}<1.915; then rounded to two decimal places, 73≈1.91\sqrt[3]{7}\approx 1.91.

If this seems like the obvious way to approximate 73\sqrt[3]{7}, that's good. The IVT is a formal statement of a very intuitive principle.

한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.6절 · 26번
# 함수의 연속계산도전자동 분류
8.CLP-1 · 1.6절 · 28번우리말 번역

f(x)f(x) 와 g(x)g(x) 가 구간 [a,b][a,b] 에서 연속인 함수이고 f(a)≤g(a)f(a) \leq g(a), g(b)≤f(b)g(b)\leq f(b) 라 하자. f(c)=g(c)f(c)=g(c) 인 c∈[a,b]c \in [a,b] 가 존재함을 보이세요.

영어 원문 보기

Suppose f(x)f(x) and g(x)g(x) are functions that are continuous over the interval [a,b][a,b], with f(a)≤g(a)f(a) \leq g(a) and g(b)≤f(b)g(b)\leq f(b). Show that there exists some c∈[a,b]c \in [a,b] with f(c)=g(c)f(c)=g(c).

정답·풀이 보기
  • f(a)=g(a)f(a)=g(a) 또는 f(b)=g(b)f(b)=g(b) 이면 단순히 c=ac=a 또는 c=bc=b 로 잡으면 된다.
  • f(a)≠g(a)f(a) \neq g(a) 이고 f(b)≠g(b)f(b) \neq g(b) 라 하자. 그러면 f(a)<g(a)f(a)<g(a) 이고 g(b)<f(b)g(b)<f(b) 이므로 h(x)=f(x)−g(x)h(x)=f(x)-g(x) 로 정의하면 h(a)<0h(a)<0 이고 h(b)>0h(b)>0 이다. hh 는 [a,b][a,b] 에서 연속인 두 함수의 차이므로 hh 도 [a,b][a,b] 에서 연속이다. 따라서 사잇값 정리에 의해 h(c)=0h(c)=0 인 c∈(a,b)c \in (a,b) 가 존재한다. 즉, f(c)=g(c)f(c)=g(c) 이다.
원본 교재 풀이(영어)
  • If f(a)=g(a)f(a)=g(a), or f(b)=g(b)f(b)=g(b), then we simply take c=ac=a or c=bc=b.
  • Suppose f(a)≠g(a)f(a) \neq g(a) and f(b)≠g(b)f(b) \neq g(b). Then f(a)<g(a)f(a)<g(a) and g(b)<f(b)g(b)<f(b), so if we define h(x)=f(x)−g(x)h(x)=f(x)-g(x), then h(a)<0h(a)<0 and h(b)>0h(b)>0. Since hh is the difference of two functions that are continuous over [a,b][a,b], also hh is continuous over [a,b][a,b]. So, by the Intermediate Value Theorem, there exists some c∈(a,b)c \in (a,b) with h(c)=0h(c)=0; that is, f(c)=g(c)f(c)=g(c).
한 번 더 — 비슷한 문제 풀기CLP-1 · 1.6절 · 9번
# 함수의 연속증명·논술도전자동 분류